Первое натурное исследование Кесарии Приморской проводилось французским путешественником В. Гереном, который трижды посетил город в 1850–1860 гг. и подробно описал руины. Ему удалось верно определить холм над портом с руинами средневековой церкви – главной святыни древнего города, на холме поочёредно располагались иродианский храм Августа, византийский собор, а затем и главная мечеть; к югу от города В. Герен также идентифицировал древний театр. Детальное поверхностное исследование Кесарии Приморской проводили английские офицеры Клод Ренье Кондер и Горацио Герберт Китченер, которые действовавшими по поручению британского Палестинского исследовательского фонда в 1873 г. Они подробно описали памятники: два кесарийских акведука, театр, храмовую платформу, ипподром, гавань и волноломы, а также средневековые стены, ров и ворота. Первые археологические раскопки были проведены в 1951 г. израильской экспедицией под руководством Шмуэля Йейвина, которая выявила византийскую улицу. В 1955 г. в ходе строительных работ обнаружена византийская церковь с мозаичным полом, датированная VI–VII вв. С 1959 г. начались систематические раскопки города, продолжающиеся до настоящего времени. За последние 50 лет одновременно работали несколько археологических экспедиций, ставивших перед собой различные научные задачи. Так, итальянская экспедиция (Missione Archeologica Italiana) в 1959–1964 гг. раскрыла античный театр, построенный Иродом в южной части города, в 100 м от берега. По римским стандартам кесарийский театр невелик, он рассчитан на 3,5 – 4 тыс. зрителей (для сравнения – в Скифополе обнаружен театр на 5 тыс. зрителей, в Филадельфии (ныне Амман) – на 6 тыс.). Кавея театра обращена на запад, к Средиземному морю. Нижняя часть трёхъярусных рядов зрительных мест занимает небольшой естественный холм, а верхняя лежит на построенных сводах, семиметровая сцена театра была высотой в 1 м. Как прочие монументальные постройки города, театр, возведённый при Ироде, функционировал несколько столетий и неоднократно ремонтировался и перестраивался. На полах орхестры археологи обнаружили 14 слоёв штукатурки. Постепенно сравнительно простая в отделке постройка украшалась резным камнем и мраморными панелями. В IV в. орхестра была переделана в колимбетру – арену для водных представлений. Важнейшей находкой итальянской экспедиции стала высеченная на камне надпись с именем Понтия Пилата, указывающая его титул – префект и упоминающая строительство Тибериума в городе. Перевёрнутая каменная плита с надписью служила сиденьем в театре после перестроек византийского периода. К северу от города итальянские учёные обнаружили остатки городских укреплений времён Ирода и две привратные башни, а также ещё одну византийскую церковь, множество статуй, надписей и др. Параллельно в городе работала экспедиция Иерусалимского университета под руководством А. Негева, которая сосредоточилась, в основном, на Кесарии Приморской времени крестоносцев – в первую очередь, на системе фортификационных сооружений. Стало ясно положение главной храмовой платформы города: как и предполагалось, холм, обращённый к гавани, оказался искусственным; были выявлены следы иродианских сводчатых конструкций.